CN106756421A - 一种铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法 - Google Patents

一种铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法。本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金，按质量含量计，包括20.0～22.0％的Mo，11.0～13.0％的Cr，14.0～16.0％的Sn，14.0～16.0％的Nb，15.0～17.0％的Zr，以及余量的Al。本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金通过设计合金成分，使铝钼铬锡铌锆中间合金具有较小的成分偏析，代替二元合金合金熔炼TC21钛合金时，有助于合金成分均匀化，防止成分偏析，简化TC21钛合金熔炼时的配料工序。实验结果表明，本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金成分均匀稳定，偏析较小。本发明提供的制备方法简单，易于控制，适用于大规模工业生产。

Description

一种铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法。
背景技术
钛及其合金具有优异的性能，如比强度高、耐腐蚀、耐高温以及良好的综合工艺性能等，在现代工业级科学技术领域内日益成为引人瞩目的材料，在宇航、航空、石油、化工、轻工、冶金、机械和能源等众多领域得到了广泛的应用。
TC21钛合金的名义成分为Ti-6Al-2Zr-2Sn-2Mo-1.5Cr-2Nb，是一种高强、高韧、高损伤容限钛合金，具有良好的强度、塑性、断裂韧性和较低的裂纹扩展速率，可用于航空飞机的机翼接头结构件、机身与起落架连接框、吊挂发动机接头等部位，以及对强度及耐久性要求高的重要或者关键承力部件的制作。
TC21钛合金是α+β双相钛合金，达到其使用性能是通过α和β相组织平衡来实现的，这种平衡是合金化学成分、热处理和机械加工综合产生的结果。α组织从高温β相形成时产生很大的局部合金成分微观调整，并在铸造过程中产生成分偏析。由于钛合金在大气下高温时化学性质活泼，不能经济地进行长时间均匀化处理，因此需要通过一定的熔炼和铸造方法降低铸锭的成分偏析。
目前，为了降低熔炼温度，TC21钛合金的熔炼一般使用的中间合金为二元合金，但多种二元合金的加入易造成原材料混料困难，并且由于各合金元素的熔点相差较多，导致最终合金中铝含量偏低，钼、钒元素含量偏高，以及钼偏析、钼夹杂等材料缺陷，并且生产过程需要精确配料，过程复杂，易受人为因素和生产过程中各种因素的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法。本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金能够提高TC21钛合金熔炼时的成分均匀性，降低铸造时的成分偏析，简化TC21钛合金熔炼时的配料工序。
本发明提供了一种铝钼铬锡铌锆中间合金，按质量含量计，包括20.0～22.0％的Mo，11.0～13.0％的Cr，14.0～16.0％的Sn，14.0～16.0％的Nb，15.0～17.0％的Zr，以及余量的Al。
优选的，所述铝钼铬锡铌锆中间合金包括20.5～21.5％的Mo，11.5～12.5％的Cr，14.5～15.5％的Sn，14.5～15.5％的Nb，15.5～16.5％的Zr，以及余量的Al。
优选的，所述铝钼铬锡铌锆中间合金包括21％的Mo，12％的Cr，15％的Sn，15％的Nb，16％的Zr，以及余量的Al。
本发明还提供了上述铝钼铬锡铌锆中间合金的制备方法，包括：以铝为还原剂，以三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆为氧化剂，冶炼得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
优选的，所述铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆的形貌为粉体。
优选的，所述铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆的质量比为(1.625～1.835)：(0.825～1.115)：(0.455～0.655):(0.465～0.755):(0.565～0.710)：(0.825～1.015)。
优选的，所述冶炼包括以下步骤：
(1)将铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆混合，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加热，铝热反应得到合金液；
(3)将所述步骤(2)得到的合金液冷却，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
优选的，所述步骤(2)中铝热反应的温度为1600～1800℃，铝热反应的时间为30～60s。
优选的，所述冶炼之前还包括：将铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆干燥。
优选的，所述干燥的温度为100～120℃，干燥的时间为10～12h以上。
本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金，按质量含量计，包括20.0～22.0％的Mo，11.0～13.0％的Cr，14.0～16.0％的Sn，14.0～16.0％的Nb，15.0～17.0％的Zr，以及余量的Al。本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金通过设计合金成分，使铝钼铬锡铌锆中间合金具有较小的成分偏析，能够代替二元合金熔炼TC21钛合金，有助于合金成分均匀化，防止成分偏析，简化TC21钛合金熔炼时的配料工序。实验结果表明，本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金成分均匀稳定，偏析较小。
具体实施方式
本发明提供了一种铝钼铬锡铌锆中间合金，按质量含量计，包括20.0～22.0％的Mo，11.0～13.0％的Cr，14.0～16.0％的Sn，14.0～16.0％的Nb，15.0～17.0％的Zr，以及余量的Al。在本发明中，所述铝钼铬锡铌锆中间合金优选包括20.5～21.5％的Mo，11.5～12.5％的Cr，14.5～15.5％的Sn，14.5～15.5％的Nb，15.5～16.5％的Zr，以及余量的Al，更优选包括21％的Mo，12％的Cr，15％的Sn，15％的Nb，16％的Zr，以及余量的Al。在本发明中，所述各元素的配比使铝钼铬锡铌锆中间合金与TC21钛合金的合金元素，可降低凝固过程中的成分偏析。
本发明还提供了一种上述技术方案所述铝钼铬锡铌锆中间合金的制备方法，包括：以铝为还原剂，以三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆为氧化剂，冶炼得到铝钼铬锡铌锆中间合金。在本发明中，所述铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆的形貌优选为粉体；所述粉体的粒径优选独立地为80～120目，更优选独立地为90～110目。
在本发明中，所述铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆的质量比优选为(1.625～1.835)：(0.825～1.115)：(0.455～0.655):(0.465～0.755):(0.565～0.710)：(0.825～1.015)，更优选为(1.7～1.8)：(0.9～1.0)：(0.5～0.6):(0.5～0.7):(0.6～0.65)：(0.83～0.91)，最优选为1.715:0.945:0.526:0.571:0.644:0.848。
本发明优选在所述冶炼前对铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆进行干燥处理。在本发明中，所述干燥处理的温度优选为100～120℃，更优选为105～115℃；所述干燥处理的时间优选为10～12h，更优选为10.5～11.5h。在本发明中，所述干燥处理可以去除原料中的水，防止冶炼过程中出现析氢现象。
在本发明中，所述冶炼优选包括以下步骤：
(1)将铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆混合，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加热，铝热反应得到合金液；
(3)将所述步骤(2)得到的合金液冷却，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
本发明优选将铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆混合，得到混合物料。本发明对所述混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合的技术方案即可。在本发明中，所述混合的速率优选为100～140r/min，更优选为110～130r/min；所述混合的时间优选为3～5min。本发明对所述混合的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合的装置即可。在本发明中，所述混合优选在V型混料机中进行。在本发明中，所述混合使各原料充分接触，便于铝热反应的进行。
完成所述混合后，本发明优选将所述混合后的产物预热至装炉温度，得到混合物料。在本发明中，所述装炉的温度优选为30～60℃，更优选为40～50℃。在本发明中，所述预热有利于铝热反应的引发。
得到混合物料后，本发明优选将所述混合物料加热，铝热反应得到合金液。本发明对所述加热的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的引发铝热反应的加热方式即可。在本发明中，所述铝热反应的温度优选为1600～1800℃，更优选为1650～1750℃；所述铝热反应的时间优选为30～60s，更优选为40～50s。在本发明中，所述铝热反应过程中，铝作为还原剂将各氧化物还原为金属单质，并释放大量的热能使金属熔化形成合金液，铝被氧化为氧化铝浮于合金液表面，与合金液分离并去除。
本发明对所述加热反应的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加热的装置即可。在本发明中，所述加热优选在熔炼炉中进行；所述熔炼炉的炉体优选为镁砖砌筑的炉体、三氧化二铝烧结的炉体或石墨板砌筑的炉体。
得到合金液后，本发明优选将所述合金液冷却，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。本发明对所述冷却的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔体冷却的技术方案即可。在本发明中，所述冷却优选为浇注后随炉空冷。在本发明中，所述冷却的终止温度优选为150℃以下。本发明对所述浇注的操作没有特殊的限定，按照后续工艺需求选择本领域技术人员熟知的浇注的技术方案即可。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
1、将粒度为100目的铝粉、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆烘干，烘干温度：100℃，烘干时间：12小时。
2、计算合金配比：三氧化钼0.825kg、三氧化二铬0.455kg、二氧化锡0.465kg、五氧化二铌0.565kg、二氧化锆0.825kg、铝1.625kg。
3、将原料装入混料机中以120r/min速率进行混料4min，混料要求：各个原材料必须充分混合均匀，保证原材料之间接触充分。
4、预热至装炉温度为41℃，点火冶炼，点着火后火花30厘米多高，反应剧烈，反应时间45s，24小时以后出炉，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
对本实施例制备的铝钼铬锡铌锆中间合金进行化学成分分析，得到结果如表1所示。
对本实施例制备的铝钼铬锡铌锆中间合金锭(圆柱体)取样，从上表面取两点(1，2)，下表面取两点(3，4)，合金柱中间部位取两点(5，6)进行成分测试，得到结果如表2所示。从表2可以看出，本实施例制备的中间合金成分均匀，无偏析。
实施例2:
1、将粒度为120目的铝粉、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆烘干，烘干温度：120℃，烘干时间：10小时。
2、计算合金配比：三氧化钼0.915kg、三氧化二铬0.511kg、二氧化锡0.535kg、五氧化二铌0.632kg、二氧化锆0.835kg、铝1.665kg。
3、将原料装入混料机中以120r/min速率进行混料4min，混料要求：各个原材料必须充分混合均匀，保证原材料之间接触充分。
4、预热至装炉温度为40℃，点火冶炼，点着后冒灰白烟，火光高出炉罩30公分左右，反应时间42s，24小时以后出炉，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
对本实施例制备的铝钼铬锡铌锆中间合金进行化学成分分析，得到结果如表1所示。
实施例3:
1、将粒度为80目的铝粉、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆烘干，烘干温度：110℃，烘干时间：11小时。
2、计算合金配比：三氧化钼0.945kg、三氧化二铬0.526kg、二氧化锡0.571kg、五氧化二铌0.644kg、二氧化锆0.848kg、铝1.715kg。
3、将原料装入混料机中以120r/min速率进行混料4min，混料要求：各个原材料必须充分混合均匀，保证原材料之间接触充分。
4、预热至装炉温度为40℃，点火冶炼，反应非常平稳，反应时间39s，24小时以后出炉，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
对本实施例制备的铝钼铬锡铌锆中间合金进行化学成分分析，得到结果如表1所示。
实施例4:
1、将粒度为100目的铝粉、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆烘干，烘干温度：110℃，烘干时间：11小时。
2、计算合金配比：三氧化钼1.025kg、三氧化二铬0.585kg、二氧化锡0.685kg、五氧化二铌0.665kg、二氧化锆0.985kg、铝1.825kg。
3、将原料装入混料机中以120r/min速率进行混料4min，混料要求：各个原材料必须充分混合均匀，保证原材料之间接触充分。
4、预热至装炉温度为42℃，点火冶炼，点着或后火花喷溅，反应非常剧烈，反应时间43s，24小时以后出炉，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
对本实施例制备的铝钼铬锡铌锆中间合金进行化学成分分析，得到结果如表1所示。
实施例5:
1、将粒度为100目的铝粉、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆烘干，烘干温度：100℃，烘干时间：12小时。
2、计算合金配比：三氧化钼1.115kg、三氧化二铬0.655kg、二氧化锡0.755kg、五氧化二铌0.710kg、二氧化锆1.015kg、铝1.8365kg。
3、将原料装入混料机中以120r/min速率进行混料4min，混料要求：各个原材料必须充分混合均匀，保证原材料之间接触充分。
4、预热至装炉温度为42℃，点火冶炼，点着火后火花喷溅，反应非常剧烈，反应时间44s，24小时以后出炉，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
对本实施例制备的铝钼铬锡铌锆中间合金进行化学成分分析，得到结果如表1所示。
表1 本发明实施例中铝钼铬锡铌锆中间合金化学成分
成分 Mo％ Cr％ Sn％ Nb％ Zr％ Al％ Fe％ C％ O％
实施例1 20.00 11.00 14.00 14.00 15.00 25.9 0.021 0.019 0.048
实施例2 20.58 11.82 14.55 14.98 15.48 22.5 0.019 0.021 0.057
实施例3 21.01 12.15 14.98 15.11 16.05 20.6 0.015 0.020 0.066
实施例4 21.74 12.88 15.74 15.68 16.50 17.4 0.019 0.021 0.054
实施例5 22.00 13.00 16.00 16.00 17.00 15.9 0.021 0.019 0.048
表2 本发明实施例1铝钼铬锡铌锆中间合金不同位置化学成分
位置 Mo％ Cr％ Sn％ Nb％ Zr％ Al％ Fe％ C％ O％
1 20.00 11.00 14.00 14.00 15.00 25.9 0.021 0.019 0.048
2 20.08 11.12 14.02 14.18 15.18 25.3 0.018 0.02 0.057
3 20.01 11.05 14.11 14.11 15.05 25.6 0.017 0.021 0.048
4 20.04 10.98 14.04 14.08 15.05 25.7 0.018 0.02 0.066
5 20.02 11.05 14.1 14.11 15.04 25.59 0.02 0.021 0.054
6 20.02 11.02 14.08 14.04 15.11 25.7 0.014 0.02 0.055
由以上实施例可以看出，本发明提供的铝钼铬锡铌锆中间合金成分稳定，杂质含量较低，代替二元合金为原料生产TC21钛合金时，能够避免生产过程需要精确配料，过程复杂，易受人为因素和生产过程中各种因素的影响，生产成本高的问题。本发明提供的制备方法简单，易操作，不需特殊设备，以铝及各种氧化物为原料，成本低，冶炼过程平稳，合金形成的状态好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝钼铬锡铌锆中间合金，按质量含量计，包括20.0～22.0％的Mo，11.0～13.0％的Cr，14.0～16.0％的Sn，14.0～16.0％的Nb，15.0～17.0％的Zr，以及余量的Al。
2.根据权利要求1所述的铝钼铬锡铌锆中间合金，其特征在于，包括20.5～21.5％的Mo，11.5～12.5％的Cr，14.5～15.5％的Sn，14.5～15.5％的Nb，15.5～16.5％的Zr，以及余量的Al。
3.根据权利要求1或2所述的铝钼铬锡铌锆中间合金，其特征在于，包括21％的Mo，12％的Cr，15％的Sn，15％的Nb，16％的Zr，以及余量的Al。
4.权利要求1～3中任意一项所述的铝钼铬锡铌锆中间合金的制备方法，其特征在于，包括：以铝为还原剂，以三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆为氧化剂，冶炼得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆的形貌为粉体。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆的质量比为(1.625～1.835)：(0.825～1.115)：(0.455～0.655):(0.465～0.755):(0.565～0.710)：(0.825～1.015)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述冶炼包括以下步骤：
(1)将铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆混合，得到混合物料；
(2)将所述步骤(1)得到的混合物料加热，铝热反应得到合金液；
(3)将所述步骤(2)得到的合金液冷却，得到铝钼铬锡铌锆中间合金。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中铝热反应的温度为1600～1800℃，铝热反应的时间为30～60s。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冶炼之前还包括：将铝、三氧化钼、三氧化二铬、二氧化锡、五氧化二铌和二氧化锆干燥。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为100～120℃，干燥的时间为10～12h以上。
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